Sostituzione degli impalcati ammalorati dei ponti esistenti con nuovi impalcati in carpenteria metallica

Il crollo del ponte Morandi a Genova e la sua recente ricostruzione sono due accadimenti che hanno rafforzato un dibattito profondo e serio sulle condizioni delle infrastrutture in Italia, mobilitando le autorità ed i relativi Ministeri, i professionisti e l’opinione pubblica in generale.
In primis si è preso atto dello stato di degrado in cui versano numerosi ponti e viadotti sul territorio nazionale e della vetusta età di questi, cosi come della mancanza di un sistema di gestione del rischio delle infrastrutture uniforme sull’intero territorio nazionale.
Le prime azioni governative e dirigenziali hanno portato all’esecuzione immediata di una serie di visite ispettive straordinarie delle infrastrutture stradali e l’analisi dello stato manutentivo. Da sottolineare, che la competenza delle infrastrutture stradali ricade in diversi soggetti (Comuni, Province, Regioni, ANAS e Società Concessionarie): diviene pertanto fondamentale trovare adeguati ed unificati criteri di monitoraggio manutentivo.

A questo proposito il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, nel 2019, istituì una commissione con il compito di unificare le modalità di classificazione, valutazione della sicurezza e monitoraggio dei ponti esistenti. La commissione ha prodotto le “Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti”, recentemente approvate dall’Assemblea generale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

In Europa il 75% dei ponti esistenti ha più di 50 anni e circa il 35% di questi hanno più di 100 anni

Sull’età delle opere infrastrutturali risulta interessante riportare i risultati di un’analisi eseguita nel 2007, a livello europeo “Sustainable Bridges -Load and Resistance Assessments of Railway Bridges”[1], sui ponti ferroviari esistenti, realizzata da un gruppo di ricerca formato da 32 partners, tra cui gestori di ponti, consulenti, appaltatori, istituti di ricerca e università, in 16 paesi dell'UE ed in Svizzera, dove vengono evidenziati i materiali utilizzati in funzione dell’età dei ponti analizzati.
È notevole rilevare che quasi il 75% dei ponti europei esistenti hanno più di 50 anni e circa il 35% di questi hanno più di 100 anni.

Queste cifre sono il risultato dell’indagine su circa 220.000 campioni corrispondenti a vari tipi di ponti costruiti con materiali diversi, tra cui ponti in calcestruzzo armato e c.a.p. (Concrete), in struttura mista con materiali diversi (Composite nel grafico), ponti in carpenteria metallica (Metal) e ponti in muratura ad arco (Masonry). Nella figura si riportano i risultati dell’indagine.

Distribuzione dei tipi di ponte in base al materiale da costruzione per intervalli di età

Figura 1 - Distribuzione dei tipi di ponte in base al materiale da costruzione per intervalli di età.

Dallo studio emerge che deve essere prestata particolare attenzione alle vecchie tipologie di ponti, dal momento che costituiscono un numero significativo della popolazione dei ponti esistenti. Inoltre, si evince che i ponti con campate minori di 40 m sono più numerosi in confronto ai ponti più lunghi. Tuttavia, i ponti con campate più lunghe non possono essere trascurati perché il loro costo di manutenzione o sostituzione può essere notevolmente superiore rispetto a quello dei ponti con campate più corte.

Distribuzione dei ponti esistenti considerando la lunghezza della campata e il materiale da costruzione

Figura  2 - Distribuzione dei ponti esistenti considerando la lunghezza della campata e il materiale da costruzione. 

Dalla ricerca scaturisce, inoltre, che la richiesta di trasporti capillari sui paesi sarà sempre in aumento e denota come in un futuro breve sarà fondamentale intervenire in modo corretto e consapevole sui ponti esistenti analizzando profondamente i fenomeni che producono il loro degrado attuando valide misure di monitoraggio nonché conseguente manutenzione.

In Italia l’80% dei ponti sono stati costruiti entro il secondo dopo guerra

A conforto di questi numeri e la sua rispondenza con le infrastrutture italiane, si riportano due studi, il primo eseguito dal Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dell’Università di Pisa [2] che seguendo l’approccio multilivello delle nuove linee guida, per 261 ponti appartenenti a strade provinciali, ha rilevato che il 44% sono in muratura, il 43 % in c.a. il 5% in acciaio o soluzioni composte e l’8% in altre materiali. Con il 54% dei ponti realizzati prima del 1945 (> 75 anni), 38% tra il 1945 e il 1980 (75 a 40 anni) e 8% costruiti dopo il 1980 (< 40 anni).

Il secondo studio, di Marco Petrangeli e altri, [3] quantifica il numero di ponti in Italia in circa 250.000 unità, confermando che l’80% dei ponti sono stati costruiti entro il secondo dopo guerra, convalidando cosi, i dati riportati in precedenza riguardo l’età dei ponti esistenti in Italia, in linea con quelli europei. Lo studio rileva che i lavori di manutenzione e sostituzione realizzati sono inferiori a quelli necessari, con risultati di deterioramento precoce e più veloce delle strutture e la conseguente riduzione dello stock dei ponti (chiusure temporanee e permanenti, limitazioni della piattaforma, limite di carico e velocità) con il rischio di una significativa contrazione della rete stradale. Conferma, inoltre, che non si dispone di un quadro aggiornato dello stato di conservazione complessivo dello stock dei ponti in Italia.

Le tipologie di ponti esistenti più diffuse in Italia

Dai dati a disposizione si evince che la tipologia di ponti esistenti, più diffusa in Italia, è quella di viadotti a travi appoggiate precompresse semplicemente appoggiate ed in misura minore, i ponti in calcestruzzo armato realizzati da una successione di telai e travi tampone in semplice appoggio (seggiole Gerber). Infine, da uno studio presente nel database del Bridge Information System (I.Br.I.D) scaturisce che meno del 6% dei ponti italiani sono in carpenteria metallica ed in strutture miste acciaio-calcestruzzo, pertanto vi è ben un 94% di ponti esistenti in materiali diversi dall’acciaio.

IN BREVE
Si può riassumere che il 92% dello stock dei ponti ha più di 40 anni, con il 38% realizzati nel secondo dopo guerra e che almeno il 50% dei ponti italiani sono in calcestruzzo con uno stato di ammaloramento della rete piuttosto consistente dovuto a cause che possono essere di natura ambientale, di non idonea esecuzione e di insufficiente manutenzione. 

Il calcestruzzo può essere interessato da un processo di ammaloramento più o meno diffuso, con presenza di fessure, lesioni e distacchi accentuati dall’eventuale presenza di infiltrazioni di acque ad alto contenuto di cloruri a causa dell’utilizzo di sali disgelanti sulla pavimentazione stradale, con fenomeni di degrado tale da innescare la corrosione nelle armature.

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Ponti e viadotti ammalorati: come intervenire?

Demolire interamente i viadotti esistenti e sostituirli con strutture nuove, come nel caso del Ponte di Genova, si tradurrebbe in operazioni onerose e di grande impatto ambientale, diviene pertanto fondamentale percorrere altre opzioni per la messa in sicurezza dei ponti esistenti con soluzioni che contemplino anche il miglioramento sismico dell’infrastruttura nel suo complesso.

Nonostante l’applicazione sia sperimentale e tratti soltanto i ponti stradali le linee guida emanata dal CSLP potranno fornire, all'esito di tale sperimentazione, uno strumento avanzato, univoco ed uniforme per tutti i gestori sul territorio nazionale che mediante un approccio generale, multilivello, multicriterio e multiobiettivo, consentirà la determinazione di una “classe di attenzione” per la gestione del rischio e la verifica di sicurezza delle infrastrutture. 

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PER APPROFONDIRE
Leggi l'articolo di approfondimento sulle “Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti 

Le Linee Guida sono costituite da tre parti fondamentali:

  • Censimento e la classificazione del rischio
  • Verifica della sicurezza
  • Sorveglianza e monitoraggio

e costituiscono il riferimento per ANAS ed i concessionari autostradali, in ordine all'approfondimento e frequenza delle ispezioni, nonché per altri interventi e provvedimenti.

Le linee guida illustrano come la classificazione del rischio si inquadri in un approccio generale che dal semplice censimento delle opere d’arte da analizzare arriva alla determinazione di una classe di attenzione basata sulla valutazione dei rischi (rischi rilevanti, strutturale, statico e fondazionale, sismico e idro-geologico), dalla quale si perverrà alla loro verifica di sicurezza. 
In quest’ottica, le linee guida forniscono gli strumenti per la conoscenza a livello territoriale dei ponti, nella più larga accezione del termine, e gli strumenti per definire le priorità per l’esecuzione delle eventuali operazioni di sorveglianza e monitoraggio, di verifica e di intervento in un’ottica di ottimizzazione delle risorse e degli interventi (investimenti).

L‘approccio si sviluppa su 6 livelli differenti e prevede valutazioni speditive quali il censimento, le ispezioni e la classificazione, e valutazioni puntuali di complessità maggiore, concentrate su singoli manufatti. 

Gli interventi di manutenzione scaturiscono sulla base della classificazione delle patologie, svolta a partire dalle ispezioni di livello 1 e dalla necessità di azioni correttive, sulle strutture, scaturite dai livelli successivi. Tali azioni potranno essere più o meno estese a seconda del tipo di danno, della sua localizzazione e del livello del degrado. Gli interventi vanno dal semplice monitoraggio continuo delle patologie, seguite da nuove ispezioni approfondite e dettagliate con lo svolgimento di test non distruttivi o distruttivi di laboratorio volti alla definizione dell’esatta entità del danno rilevato. Per danni poco estesi si eseguono interventi localizzati di riparo che non influiscono sul comportamento globale della struttura e sulla funzionalità dell’opera. Se il danno è molto esteso, tale da ridurre sensibilmente la capacità portante e/o la durabilità di un intero elemento strutturale, si esegue un intervento di rinforzo o di sostituzione dell’intero elemento.

Perchè sostituire opere in calcestruzzo o c.a.p. con nuovi elementi in carpenteria metallica

Su questo tipo di intervento è fondamentale sottolineare che la sostituzione di opere esistenti in calcestruzzo o c.a.p. con nuovi elementi in carpenteria metallica conferisce un migliore comportamento del ponte o viadotto di fronte alle azioni sismiche, trasferendo minori sollecitazioni alle sottostrutture, data la minore massa degli elementi in carpenteria metallica.

In questi casi è possibile procedere, molto più facilmente, all’adeguamento sismico o al miglioramento delle pile e delle spalle esistenti del ponte che saranno sottoposte ad azioni verticali e orizzontali molto più contenute delle precedenti. A completamento dell’intervento si deve valutare lo stato dei pulvini esistenti e l’adeguamento ai nuovi dispositivi di appoggio. 

È stato possibile costatare che in gran parte dei viadotti esistenti, le pile presentano un’ importante robustezza perché nella progettazione venivano fatte lavorare a tensioni medie molto basse. Questa situazione di sovradimensionamento gioca a favore del suo ripristino nonostante possano trovarsi in una situazione di cattivo stato di conservazione. 

Si trascrivono alcune considerazioni, tratte dal “Quaderno tecnico ANAS” (Volume VII) [4] nei casi di sostituzione di impalcati esistenti di travi in c.a.p. con travi in acciaio.

Facciamo un esempio

A mero scopo illustrativo si prendono in esame i carichi trasmessi alle pile dovuti al peso proprio delle campate con le luci più rappresentative nella rete stradale esistente di 25 m e 35 m. Negli esempi è escluso il contributo della soletta superiore e delle finiture, il quale è pressoché identico per tutte le soluzioni. 

Per travi isostatiche in c.a.p. con campate di 25 m di luce, il carico trasmesso agli appoggi dovuto al peso proprio delle travi risulta essere:

  • nell’ordine delle 130 t per impalcati con travi a doppio “T” in c.a.p. esistenti tipicamente in uso qualche decennio fa;
  • per impalcati realizzati con soluzioni in acciaio o acciaio/calcestruzzo è invece nell’ordine dalle 20 t alle 35 t, con soluzioni in travi laminate, con travi in lamiere saldate a doppio “T” o a cassone con acciaio o con trave reticolare con profili tubolari in qualità S355 e S460.

Da una prima analisi si evince un netto abbattimento dei carichi agenti dovuti al peso proprio delle travi. I nuovi carichi verticali, imposti da quest’ultime, trasmessi alle pile, vengono ridotti di circa il 75-85% rispetto a quelli trasmessi dagli impalcati esistenti. Di conseguenza, essendo i carichi sismici strettamente legati alle masse, l’azione sismica dei nuovi impalcati viene altamente ridotta rispetto a quella trasmessa dalla struttura esistente. 

Anche per travi isostatiche con campate di 35 m di luce è possibile fare analoghe considerazioni, il peso proprio degli impalcati esistenti con travi in c.a.p. risulta essere nell’ordine 220t / 250t, per impalcati realizzati con soluzioni in acciaio o acciaio/calcestruzzo il peso si riduce di circa il 70 – 85% rispetto a quello degli impalcati esistenti.

Questa importante riduzione dei carichi rafforza la soluzione progettuale di mantenere e ripristinare le pile e le spalle esistenti, e procedere con la sostituzione degli impalcati con quelli nuovi in carpenteria metallica.

Durante la sostituzione dei dispositivi di appoggio, nel caso di pile esistenti che non riuscissero a sopportare i nuovi carichi sismici, sarebbe possibile aumentare la capacità dissipativa dell’opera (retrofitting sismico), mediante l’installazione di “dissipatori sismici”, atti alla dissipazione dell’energia sismica.

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